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Institut für Energie- und Klimaforschung

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Plasma-Wand-Wechselwirkung

In einem Fusionsreaktor sind die Wände der Brennkammer extrem hohen Wärmebelastungen ausgesetzt: Rund um die Uhr und zerstörungsfrei muss in einem späteren Kraftwerk eine Leistungsdichte von mehr als 10 Millionen Watt pro Quadratmeter über geeignete Oberflächen abgeführt werden. Wir erforschen Materialien und Systeme, die diesen Extrembedingungen standhalten.

Die Beherrschung der Plasma-Wand-Wechselwirkung (PWW) ist eine der zentralen Fragen für die Entwicklung eines stationär laufenden Fusionsreaktors. Sie ist daher eine der wichtigen Aufgaben im weltweiten Fusionsforschungsprogramm. Die Beherrschung dieser Thematik bestimmt in entscheidendem Maße die Verfügbarkeit und damit letztlich die Effizienz und den wirtschaftlichen Erfolg eines zukünftigen Fusionskraftwerks.

In Fusionsanlagen steht zur direkten Heizung des Plasmas durch die Kernverschmelzungsprozesse selbst ein Fünftel der erzeugten Leistung in Form von Alphateilchen zw. Heliumatomkernen zur Verfügung. Diese Energie sorgt mit Hilfe des magnetischen Plasmaeinschlusses dafür, dass im Zentrum des Plasmas die notwendigen Temperaturen von etwa 100 Millionen Grad ohne externe Zusatzheizung aufrecht erhalten werden. Die restlichen 80 Prozent der erzeugten Fusionsenergie verlassen das Plasma in Form schneller Neutronen. Sie werden im Volumen der umgebenden Wandelemente – vor allem in den so genannten Blankets – durch Stoßprozesse thermalisiert; das heißt, sie geben ihre Energie an geeignete Absorbermaterialien ab, die sich in Folge aufheizen. Diese Wärme kann schließlich zur Stromerzeugung genutzt werden.

Das Forschungsgebiet der Plasma-Wand-Wechselwirkung befasst sich primär mit der Abfuhr der Plasmaheizleistung auf die umgebenden Wände und umfasst alle damit verbundenen Prozesse zwischen Plasma und Wand. Neben der Abfuhr der Plasmaheizleistung muss über Plasma-Wand-Wechselwirkung auch die Abfuhr der Alphateilchen selbst – auch Heliumasche genannt – erfolgen, die sonst in einem fortlaufendem Fusionsprozess im Plasma akkumulieren und es letztendlich zum Erlöschen brächten. Daher ist die Wechselwirkung des Plasmas mit der Wand ein unverzichtbarer Bestandteil eines funktionierenden Fusionsreaktors.

Ziel der Forschung im Bereich Plasma-Wand-Wechselwirkung ist es, Bedingungen zu erreichen, die eine lange Lebensdauer der Wandkomponenten gewährleisten, und die gleichzeitig auch die Rückhaltung der Fusionsbrennstoffe Deuterium und Tritium in den Wänden minimieren. Vor allem die Speicherung des radioaktiven Gases Tritium muss dabei auf ein unvermeidbares Minimum begrenzt werden. Die physikalischen Grundlagen dieser Fragen beruhen im Wesentlichen auf der Erforschung von Erosions- und Transportprozessen des belasteten Wandmaterials am Plasmarand, der Wiederablagerung von erodiertem Material auf der Wand und deren Struktur, sowie auf der möglichen Einlagerung von Brennstoff in die umgebenden Wände und den damit verbundenen Materialveränderungen.

Es wird versucht, die Vielzahl dieser Prozesse sowohl durch die Auswahl geeigneter Wandmaterialien, als auch durch die richtige Magnetfeldtopologie und die Gestaltung der Plasmaparameter wie etwa Temperatur, Dichte und Plasmastrahlung zu optimieren. Das Forschungsfeld der Plasma-Wand-Wechselwirkung ist daher interdisziplinär und umfasst neben der Plasmaphysik auch Oberflächenphysik, Atom- und Molekülphysik, Chemie sowie die Materialwissenschaften.

Für den im Bau befindlichen Versuchsreaktor ITER muss zum Beispiel eine Fusionswärmeleistung 100 Millionen Watt und eine externe Zusatzheizung von 50 Millionen Watt auf die Wände sicher abgeleitet werden. Damit verknüpft ist eine Heliumproduktion von etwa 2x1020 Atomen pro Sekunde. Das entspricht einer Masse von einem Milligramm Helium pro Sekunde, die im Gleichgewicht kontinuierlich abgepumpt werden muss.

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Bild 1: Lage der magnetischen Flussflächen im poloidalen ITER-Querschnitt. Die stärkste Belastung erfahren die Prallplatten im Divertor am Schnittpunkt mit der Separatrix.

Die Ascheabfuhr erfolgt durch Abpumpen neutraler Heliumteilchen im Divertor, die sich dort durch die Plasmaströmung entlang der Magnetfeldlinien innerhalb der so genannten Abschälschicht (Scrape-Off-Layer, SOL) durch Neutralisation an der Divertorwand ansammeln. Dort bildet sich ein Neutralgasdruck aus Deuterium, Tritium, Helium und anderen Verunreinigungen, der ausreicht, um die Teilchen über Kanäle unterhalb des Divertors abzupumpen. Dadurch bleibt die Heliumkonzentration im Plasmazentrum auf etwa vier Prozent beschränkt. Sie weist eine hinreichend große Toleranz für andere Verunreinigungen auf, die beispielsweise zum Zwecke der Strahlungskühlung dem Plasma absichtlich von außen zugeführt werden.

Ein zentrales Problem in Fusionsplasmen ist die Wärmeabfuhr, da das Plasma den Wärmefluss entlang der magnetischen Feldlinien in einem schmalen Bereich von nur etwa einem Zentimeter radialer Ausdehnung auf eine relativ kleine Fläche der Divertorprallplatte konzentriert. Die effektiv zu diesem Zweck zur Verfügung stehende Gesamtfläche beträgt in ITER nur etwa fünf Quadratmeter. Da die technisch maximal handhabbare Wärmeabfuhr für die ITER-Prallplatten bei etwa 10 Millionen Watt pro Quadratmeter liegt, muss ein erheblicher Teil der Heizleistung aus dem Plasma über den Weg elektromagnetischer Strahlung auf die insgesamt 680 Quadratmeter große Innenwand im Hauptraum abgeführt werden. Dies hat gegenüber einem gezielt auf die Materialoberflächen im Divertor gerichteten Wärmetransport den Vorteil einer gleichmäßigen Abstrahlung in alle Richtungen. Prototypmodule für Divertorprallplatten, die Leistungsdichten von 10 Millionen Watt pro Quadratmeter abführen können, wurden bereits erfolgreich erprobt, siehe Bild 2.

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Bild 2: Links: wassergekühlte Struktur für die Divertorprallplatte aus Grafit (CFC) auf Kupfer aufgelötet. Rechts: Prototyp eines Moduls für die Divertorprallplatte (Vertical Target) aus Wolfram und CFC. Die Module erfüllen alle Anforderungen an die Wärmeabfuhrleistung mit Belastungen durch thermisches Zyklieren von bis zu 23 Millionen Watt pro Quadratmeter und Sekunde.

Der wesentliche Teil der Wärmeabfuhr, die Strahlungskühlung, beruht auf elektromagnetischer Strahlung durch im Plasma angeregte Verunreinigungsionen, die durch Erosion von den Wänden freigesetzt werden. Wichtig ist es sicherzustellen, dass sich die Strahlungsleistung durch Verunreinigungen im Wesentlichen auf den Plasmarand beschränkt, was nur für leichte Elemente der Fall ist. Es besteht zusätzlich die Möglichkeit, durch von außen eingeführte Verunreinigungen, vorzugsweise Edelgase, den Strahlungspegel gezielt einzustellen und zu steuern.

Besonders kritisch für die Wandkomponenten sind kurzzeitige Spitzenbelastungen durch Plasmainstabilitäten, wie etwa Plasmaabbrüche (Disruptionen) oder Randschichtinstabilitäten (ELMs). Plasmaabbrüche können in der Nähe operativer Grenzen eines Tokamaks auftreten und die gesamte gespeicherte Plasmaenergie in kurzer Zeit – in wenigen Millisekunden – auf die Wände abgeben. Randschichtinstabilitäten beruhen auf einem stetigen Anstieg des Plasmadruckgradienten am Plasmarand bis zu einem kritischen Wert, bei dem die Plasmaenergie aus dem Randbereich pulsartig ausgestoßen wird. Dies tritt vor allem in Plasmen mit besonders gutem Energieeinschluss (H-Mode) auf, wie sie für ITER und zukünftige Fusionskraftwerke vorgesehen sind. Die bei solchen Instabilitäten auftretenden lokalen thermischen Spitzenlasten können zum Aufschmelzen oder zur Rissbildung bei den Wandkomponenten führen und damit deren Lebensdauer beschränken. Es gilt daher, Randschichtinstabilitäten auf eine hinnehmbare Größe zu reduzieren (ELM Mitigation), Disruptionen in Tokamaks möglichst ganz zu vermeiden und für die verbliebenen seltenen Fälle Methoden einzusetzen, die die Wirkung der kurzzeitigen Spitzenlasten dämpfen. Daneben müssen thermoschockresistente Wandmaterialien entwickelt werden.

Plasma-Wand-Wechselwirkung führt zu erheblichen Erosionsprozessen an plasmabelasteten Wandkomponenten. Die vorherrschenden Erosionsprozesse sind physikalische Zerstäubung und chemische Reaktionen, die an den Teilchenfluss aus dem Plasma und dessen Energie gekoppelt sind. Einige Erosionsprozesse sind eine direkte Folge kritischer Wärmeflüsse, wie Schmelzen oder Sublimation von Wandmaterial. Die physikalische Zerstäubung von Wandmaterial wird durch Energie- und Impulsübertrag energiereicher Plasmateilchen bewirkt – mit effektiven Ausbeuten von einigen Prozent bei Kohlenstoff und sehr viel kleineren Werten für schwere Metalle wie Wolfram. Für einige Wandmaterialien wie etwa Kohlenstoff sind auch chemische Erosionsprozesse entscheidend, die durch die Oberflächentemperatur des Materials bestimmt werden.

Erosionsprozesse setzen Teilchen frei, die in das Plasma gelangen und die dort ionisiert oder dissoziiert werden. Über Transportprozesse im Plasma werden diese Teilchen schließlich wieder auf die Wand zurückgeführt, im Idealfall zurück zu ihrem Ursprungsort. Beim Wasserstoff, der an der Prallplatte neutralisiert und als Atom oder Molekül wieder in das Plasma zurückkehrt, nennt man diesen Prozess Recycling.

Die Erforschung der lokalen und globalen Erosions- und Depositionsprozesse ist ein wesentlicher Bestandteil der Forschung im Bereich der Plasma-Wand-Wechselwirkung und von komplexer Natur. Lokale Redeposition führt zu einer starken Reduktion der Nettoerosion und ist daher ein bedeutender Selbstheilungsmechanismus für hoch belastete Komponenten, der deren Lebensdauer insgesamt erhöht. Ein Teil des erodierten Wandmaterials entkommt allerdings diesem lokalen Redepositionsprozess und wird auf entlegene Flächen transportiert. Dies führt zu einem kontinuierlichen Materialtransport. Er findet im Wesentlichen von Orten hoher Erosion, wo eine Nettoerosion stattfindet mit dem Ergebnis der Begrenzung der Lebensdauer, hin zu Orten geringerer Erosion, wo sich Ablagerungsschichten aufbauen, statt. Durch die gleichzeitige Einlagerung (Kodeposition) von Deuterium und Tritium in diese neu aufgebauten Schichten können mechanische Instabilitäten auftreten. In Fusionsexperimenten mit Kohlenstoffwänden wurden insbesondere an wenig belasteten Flächen Kohlenstoffschichten mit bis zu 100 Prozent Wasserstoffgehalt beobachtet. Dies ist eines der kritischen Probleme der Plasma-Wand-Wechselwirkung.

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Bild 3: Schichtbildung durch Deposition von erodiertem Kohlenstoff auf den Limitern im Jülicher Tokamak TEXTOR. Die Elektronenmikroskopaufnahme zeigt geschichtete Strukturen von jeweils etwa vier Mikrometern Dicke.


Materialwahl für die Erste Wand von ITER

Für die plasmabelasteten Flächen in ITER ist zu Beginn des Experimentbetriebs eine Kombination aus Beryllium, Wolfram und Grafit vorgesehen. Die Materialien sollen mit ihren spezifischen Eigenschaften die Anforderungen durch die sehr unterschiedlichen Belastungen in den verschiedenen Wandbereichen erfüllen, siehe Bild 4.

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Bild 4: Kombination von Wandmaterialien für plasmabelastete Oberflächen in ITER: Beryllium im Hauptraum, Grafit für die am höchsten wärmebelasteten Prallplatten im Divertor und Wolfram für die übrigen Flächen im Divertor.

Beryllium: Die Auskleidung der Innenwand des Hauptbrennraums mit Beryllium wurde gewählt, um Strahlung durch Verunreinigungen im Plasmazentrum, wie sie durch schwere Elemente auftreten kann, zu minimieren. Zusätzlich hat Beryllium die vorteilhafte Eigenschaft, Sauerstoff chemisch zu binden (Sauerstoffgettern), was sich bezüglich der Vakuumeigenschaften als großer Vorteil für den Tokamakbetrieb erwiesen hat.

Grafit: Grafit bzw. Kohlenstoff ist ein ideales Material für hochbelastete Komponenten, weil es selbst bei Überlastung nicht schmilzt, sondern bei einer Temperatur von 3825 Grad Celsius gleich sublimiert. Diese Eigenschaft wird insbesondere für den oft bis an die operativen Grenzen gehenden Experimentierbetrieb geschätzt. Der große Nachteil von Grafit ist seine starke Neigung zur Erosion, sowohl aufgrund physikalischer als auch chemischer Prozesse. Damit verbunden ist ein weiterer negativer Aspekt: Tritiumeinlagerung durch Kodeposition.

Wolfram: Dieses Metall hat mit 3422 Grad Celsius den höchsten Schmelzpunkt aller Elemente. Wolfram weist eine geringe Zerstäubung bzw. Erosion auf wegen seiner großen Masse und dem damit verbundenen reduzierten Energieübertrag beim Zusammenstoß mit Wasserstoffatomen und -ionen aus dem Fusionsplasma. Die zu erwartenden Zerstäubungsausbeuten liegen im Bereich von lediglich 10-5 bis 10-4. Diese kleine Ausbeute und die relativ kleinen Flächen mit Wolfram stellen sicher, dass wenig Wolfram in das Hauptplasma eindringt und keine signifikante Strahlung im Plasmazentrum auftritt. Eine möglichst geringe Plasmatemperatur im Divertorraum unterstützt dieses Ziel.

Die laufenden Forschungen auf dem Gebiet der Plasma-Wand-Wechselwirkung im Forschungszentrum Jülich orientieren sich hauptsächlich an kritischen Fragen des späteren Betriebs von ITER. Sie betreffen im Wesentlichen:

  • Analyse and Vorhersage der Erosions- und Depositionsprozesse in ITER unter Berücksichtigung der Materialien Grafit, Wolfram und Beryllium.
  • Untersuchung der Brennstoffgas-Speicherung in den für ITER vorgesehenen Materialien.
  • Entwicklung von Reinigungsverfahren für die Entfernung von Tritium aus dem ITER-Gefäß.
  • Untersuchung des Schmelzverhaltens von Wolfram unter extremer Wärmebelastung.
  • Untersuchung der Erosion und Materialablagerung auf Spiegelsystemen, die in ITER für die Plasmabeobachtung Verwendung finden werden.
  • Untersuchung der Staubbildung und des Staubtransports im Plasma.
  • Entwicklung lasergestützter Diagnostikverfahren, um die Materialablagerung und die Tritiumspeicherung in den Wänden von ITER in situ messen zu können.
  • Modellierung von Erosions- und Depositionsprozessen und Vorhersage der Tritiumspeicherung in ITER.

Daneben werden vorbereitende Arbeiten für den nächsten Schritt nach ITER – den Bau des ersten wirklichen Fusionskraftwerks DEMO – durchgeführt.

Stellaratoren, wie das zurzeit in Greifswald im Bau befindliche Fusionsexperiment Wendelstein 7-X, werden für die Plasma-Wand-Wechselwirkung hinsichtlich der Entwicklung von Konzepten für einen Langzeitbetrieb eine bedeutende Rolle spielen. Prinzipiell sind allerdings die grundsätzlichen Probleme der Plasma-Wand-Wechselwirkung in Stellaratoren und Tokamaks identisch.


Kontakt

Dr. Volker Philipps

Telefon 02461 61-6611
Telefax 02461 61-2660
v.philipps@fz-juelich.de


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